Sensorik & Wegmesstechnik

So lässt sich Verfügbarkeit und Wirkungsgrad der regenerativen Energiegewinnung steigern

| Autor / Redakteur: Bernhard Hahn* / Ines Stotz

BML Magnetbandmesssysteme von Balluff messen präzise die aktuelle Azimut- und Evaluation-Stellung direkt an den Drehachsen der Heliostaten an den Solarturm-Wärmekraftwerken.
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BML Magnetbandmesssysteme von Balluff messen präzise die aktuelle Azimut- und Evaluation-Stellung direkt an den Drehachsen der Heliostaten an den Solarturm-Wärmekraftwerken. (Balluff)

Was bei elektrischen Verbrauchern der Ruf nach Energieeffizienz ist, bedeutet bei der Stromgewinnung eine ständige Verbesserung der Verfügbarkeit und des Wirkungsgrades von stromerzeugenden Anlagen. Viele wirkungsgradverbessernde Maßnahmen machen den Einsatz intelligenter, zuverlässiger Sensorik und präziser Wegmesstechnik erforderlich.

Abhängig von der Art der Energieumwandlung gibt es die verschiedensten Ansätze, um diese Ziele zu erreichen. So sind etwa Gewichtsreduzierung bei Windkraftanlagen durch alternative Materialien, ein getriebeloser Antriebsstrang, Schnellstart von Gasturbinen, exakte Regulierung der Leitschaufeln bei Wasserkraftwerken, hochgenaue geregelte Stellantriebe für Ventile, Klappen und Schiebern zielführend.

Ein typisches Beispiel für den Einsatz von Sensoren bei der Effizienzsteigerung findet man bei Solarturm-Wärmekraftwerken. Hier müssen, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, die Spiegel – auch Heliostaten genannt - hochgenau, individuell und ganz wichtig wiederholgenau nachgeführt werden. Außerdem sind sie im Notfall, etwa bei einem Sturm, in eine sichere Position zu bringen.

BML Magnetbandmesssysteme von Balluff messen dazu präzise die aktuelle Azimut- und Evaluation-Stellung direkt an den Drehachsen der Heliostaten. Mit einer Auflösung von 1 µm bis zu 10 µm, und einer Systemgenauigkeit von bis zu ±10 µm sind die BML-Systeme geradezu für diesen Einsatz prädestiniert. Und da sie berührungslos, damit vollkommen verschleißfrei und nahezu wartungsfrei arbeiten, sind sie Garant für eine bestmögliche Energieausbeute.

Magnetbandmesssysteme widerstehen unwirtlichen Umgebungen

Bis zu 1000 m kann dabei der Abstand der einzelnen (in der Summe bis zu mehreren tausend) Heliostaten bis zum Brennpunkt der auf einem Turm befindlichen Brennkammer, dem Receiver, betragen. Die einzelnen Heliostaten folgen ganz individuell, prozessorgesteuert, kontinuierlich dem Lauf der Sonne, denn auch nur geringste Ungenauigkeiten bei der Nachführung bzw. Ausrichtung der Heliostaten würden zu erheblichen Verlusten beim Wirkungsgrad der Anlage führen.

BML Magnetbandmesssysteme, die bereits seit Jahren an etlichen Anlagen eingesetzt werden, erfüllen nicht nur diese hohen Anforderungen an Genauigkeit und Zuverlässigkeit, sondern auch an die extrem unwirtliche Einsatzumgebung. Dies sind in der Regel Standorte mit starker, ständiger und stabiler Sonneneinstrahlung, wie Wüsten oder steppenartige Gelände, für die hohe und wechselnde Temperaturen, Feuchtigkeit, Betauung, UV Einstrahlung und mechanische Belastungen durch Sandabrieb charakteristisch sind.

BML Magnetbandmesssystem: Funktionsprinzip

Ein typisches BML-Messsystem besteht aus einem Sensorkopf und einem magnetisch codierten Maßkörper in Ring oder flexibler Bandform . Die gesamte Elektronik sowie die magnetfeldempfindlichen Sensorelemente sind in das kompakte Gehäuse des Sensorkopfes integriert. Für die Messung gleitet der Sensorkopf im Abstand von bis zu 2 mm über den mit wechselnder Polarität versehenen Maßkörper, der direkt auf den Drehachsen der Heliostaten aufgespannt ist. Die Feldlinien zwischen den Nord- und Südpolen bilden ein dreidimensionales Vektorfeld, dessen Periode der doppelten Polbreite des Maßkörpers entspricht. Die beiden Magnetfeldsensorelemente im Sensorkopf messen entweder die Komponente des Magnetfeldvektors in Richtung ihrer Empfindlichkeit oder den Winkel des magnetischen Vektorfeldes zur Bewegungsrichtung. Eine Aussage über den zurückgelegten Weg lässt sich durch Zählen der magnetischen Perioden treffen.

Jede Windstärke im Griff

Als weiteres Beispiel kommen magnetostriktive Wegmesssysteme bei der hydraulisch betätigten Pitchverstelleinheit von Windkraftanlagen zum Einsatz. Durch eine reaktionsschnelle und exakte Verstellung des Anstellwinkels der Rotorblätter helfen sie nicht nur die Energieeffizienz und Sicherheit der Windkraftanlagen zu steigern, sondern auch einen optimalen und stabilen Betriebszustand einer Windkraftanlage zu garantieren, egal welche Windstärke auch herrscht. Dabei versteht sich von selbst, dass diese Wegmesssysteme extrem robust, vibrations- und schockfest sowie unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen und Feuchtigkeit sein müssen. Alle diese Anforderungen erfüllen Micropulse Wegmesssysteme von Balluff.

Hoch präzise und zuverlässig für den bestmöglichen Energieertrag

Integriert im Zylinder messen sie im Millisekunden-Takt die aktuelle Pitchstellung kontinuierlich auf µm genau. Diese extrem genaue und zuverlässige Erfassung ist unabdingbare Voraussetzung, damit zum Beispiel im Notfall die Rotorblätter schnell in eine sichere Position gedreht werden können.

Um die Effizienz zu steigern, Wartungsintervalle zu verlängern und Stillstandzeiten zu verringern, sind berührungslos arbeitende getriebefreie Systeme heute ein Muss. Hinzu kommt ein neuer pragmatischer Ansatz mit redundant ausgelegten Systemen, der bei Wegmesssystemen mit baugleichen Flanschgrößen einfach zu realisieren ist. Es lassen sich sogar bestehende Anlagen unproblematisch nachrüsten. Balluff bietet dafür robuste Micropulse Wegaufnehmer mit 2- oder sogar 3-facher Redundanz an.

Magnetostriktive Wegmesstechnologie – absolut und verschleißfrei

Diese basieren auf der bewährten magnetostriktiven Wegmesstechnologie. Somit arbeiten sie absolut und berührungslos und damit vollkommen verschleißfrei. Sie eignen sich für die zuverlässige, hochgenaue und dynamische Messung von linearen Achspositionen oder im Hydraulikzylinder integriert für die exakte Bestimmung der Kolbenpositionen.

Mühelos erreichen sie dank hermetisch dichter Gehäuse die hohen Schutzarten IP 67/IP 68. Kenndaten sind Nennmesslängen bis zu 7600 mm und eine Auflösung von 1 µm. Besonders reichhaltig ist die Auswahl an Schnittstellen, die von analogen Spannungs- und Stromschnittstellen über digitale Start/Stopp-Schnittstellen bis hin zu allen marktüblichen Feldbus- und Ethernetsystemen reichen. Verfügbar sind Stecker- und Kabelvarianten.

Magnetostriktiver Wegaufnehmer: Funktionsprinzip

Herzstück jedes magnetostriktiven Wegaufnehmers ist das magnetostriktive Sensorelement, der so genannte Wellenleiter. Dieser ist nichts anderes als ein metallisches Röhrchen aus magnetostriktivem Material - in der Regel eine Nickel-Eisen-Legierung - in das ein Kupferdraht eingefädelt ist. Auf ihn wird für den Messvorgang ein kurzer Stromimpuls geschickt. Er induziert ein zirkulares Magnetfeld, das durch die weichmagnetischen Eigenschaften des Wellenleiters gebündelt wird. Ein direkt an dem zu messenden, bewegten Bauteil befestigter Permanentmagnet dient dann als passiver Positionsgeber und markiert den Messpunkt berührungslos und ganz ohne Energiezufuhr.

Dort, wo sich beide Magnetfelder im rechten Winkel überlagern, entsteht eine minimale elastische Verformung durch Magnetostriktion. Sie erzeugt eine Körperschallwelle, die sich nach beiden Seiten mit einer Geschwindigkeit von 2.850 m/s ausbreitet. An dem einen Ende des Wellenleiters ist die Welle unerwünscht und wird durch Reibung weggedämpft, während sie am anderen Ende des Wellenleiters durch eine Induktionsspule, den Detektor, wieder in einen Stromimpuls umgewandelt wird. Die Auswerteelektronik ermittelt aus der Laufzeit dieser Welle die Position mit hoher Genauigkeit.

HALT-Test geprüfte Komponenten für lange Wartungsintervalle

Sicherheit und Zuverlässigkeit sind für Windkraft- und Solaranlagen entscheidende Qualitätskriterien. Nur mit Anlagen, die wartungsarm arbeiten und eine hohe Verfügbarkeit aufweisen, lassen sich die erhofften Energie-Effizienzziele erreichen.

Vorteile im harten Wettbewerb haben deshalb Anlagenbauer, die in ihren Anlagen zur Energiegewinnung nur Komponenten einsetzen, die den Nachweis ihrer einwandfreien Funktion über den gesamten Lebenszyklus erbracht haben. Konventionelle Prüfungen zur Produktqualifizierung innerhalb der Spezifikation reichen hier häufig nicht mehr aus.

Balluff setzt deshalb routinemäßig bei seinen Sensoren und Wegmesssystemen auf HALT-Tests (Highly Accelerated Life Test) in der hauseigenen Prüfanlage.

Dabei werden die Komponenten innerhalb von drei bis fünf Tagen einem beschleunigten „Alterungsprozess“ unterworfen und so die Summe aller Belastungen innerhalb eines Sensorlebens zeitgerafft simuliert. Mögliche Schwachstellen lassen sich auf diese Weise schon in der Entwicklungsphase sicher aufspüren und korrigieren.

Das Ergebnis sind Wegmesssysteme von besonderer Qualität und Zuverlässigkeit, die über Jahre mit gleichbleibender Sicherheit und Präzision ihre Aufgabe erfüllen. Mit ihnen wird die Anlagenverfügbarkeit nachhaltig gesteigert, Service- und Reparaturkosten vermieden und somit eine wesentlich höhere Effizienz erreicht.

Für den angewandten HALT-Prozess erhielt Balluff auf der Control 2009 den „Kompetenzpreis für Innovation und Qualität in Baden-Württemberg“.

* Bernhard Hahn, Product Manager Wegmesssysteme, Balluff

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